第三章光电检测中常用的光源、光学系统与设备

③在使用一段时间后，滤光片光谱透射比会发生一些变 化。滤去不必要的短波辐射，定期测量滤光片的光谱透 射特性，在精确光辐射测量中十分必要。
光源的颜色
• 相关色温是指光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射的色 坐标点最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关色温； • 光源的颜色与发光波长有关，复色光源如太阳光、白炽灯、 卤素灯等发光一般为白色，其显色性较好，适合于辨色要求 较高的场合，如彩色摄像、彩色印刷等。单色光源，如He – Ne激光为红色，氪灯与钠灯发光为黄色，氘光为紫色……； 光的颜色对人眼的工作效率有影响，绿色比较柔和而红色则 使人容易疲劳。用颜色来进行测量也是一门专门的技术。 • 在光电测量中为了减少光源温度对测量的影响，应采用冷光 源或者设法减少热辐射的影响。
标准照明体和标准光源
标准照明体和标准光源是为使光辐射测量标准化而引 入的概念。
标准照明体规定的是光源的光谱能量分布。一种标准照明 体有可能只用一种光源就可实现，也有可能要用一种光源 的若干标准滤光器的组合才能实现，甚至只能近似地实现。 标准照明体应当有良好的现实代表性，即是现有大量光源 辐照特性的典型代表。 标准光源是一种实在的光源，只是规定了这种光源的基本 特性以及光源的光谱能量分布与什么标准照明体相匹配。
光电系统中的常用光源
斯特藩－波尔兹曼定律
黑体辐射的辐射本领与绝对温度的四次方成正比。
M b (T ) T
12
4
实验测得上式中的比例常数为
5.6710 W/cm K
2
4
它是个普适常数，叫做斯特藩-波尔兹曼常数。 J. Stefan, 1879; L. Boltzmann, 1884。
光源的基本特性参数
几种色温变换滤光片的光谱透射比曲线
1.4388 102 1.4388 102 ( ) exp[ ( MRD1 MRD2 )] exp[ MRD]


利用麦尔德值表示的变换滤光片的透射比
2.4.5 色温变换及光谱能量分布特性的改变
(1) 光源近似黑体分布时的色温变换
( )
标准照明体和标准光源
(2) CIE标准照明体D 代表各时相日光的相对光谱功率分布，也叫做典型日光或 重组日光。 对实际光谱分布测量结果 进行的特征矢量分统计析 得出了一个数学模型，可 用来计算已知相关色温标 准照明体D的相对光谱功率 分布, 这就是“重组日光” 的含意。
典型日光的色品轨迹
标准照明体和标准光源

5

1 e
hc/ kT
1

c1

5

1
波尔兹曼常数 k 1.38 10 23 (W s K 1 ) 光速 c 2.99 1010 (cm s 1 ) 波长 ( m) 温度 T (K)
维恩位移定律( W.Wien, 1893)
• 任何温度下，黑体的辐出度曲线都有一极大值， 令这极大值所对应的波长为 M，则 与 T 成反 比: T b
M 0 ( , T2 ) M 0 ( , T1 )
高色温变换时用维恩公式的修正曲线
色温变换及光谱能量分布特性的改变
(2) 光源偏离黑体分布时的色温变换 ① 产品目录所给滤光片光谱透射比曲线只是典型值，应 对滤光片的光谱透射特性进行实测； ② 滤光片在吸收光辐射能时会发热，一些滤光片的光谱 透射特性与温度有关。此外，滤光片过热会使有胶合的 玻璃层之间开胶，形成条纹，甚至损坏，故滤光片的使 用温度一般不应超过60C；
HG500型发光二极管的配光曲线
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为提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向作为照 明方向。为了充分利用其他方向的光，可以用反光罩，反光 罩的焦点应位于光源的发光中心。
0˚
80˚ 90˚
80˚
90˚
HG500发光二极管的配光曲线
光源的色温
黑体的温度决定了它的光辐射特性。对于一般的 光源，它的某些特性常用黑体辐射特性近似地表示， 其温度常用色温或相关色温表示。 色温:辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐 射光的颜色相同时，对应的黑体温度称为该辐射源的 色温。 由于一种颜色可以由多种光谱分布产生，所以色 温相同的光源，它们的相对光谱功率分布不一定相同。
光电检测技术
Ch3 光电检测中常用的光源、光学系统
与设备
吕勇 lvyong222@163.com
热辐射的基本定律
• • • • 基尔霍夫定律 普朗克定律 维恩位移定律 斯特藩－波尔茨曼定律
热辐射的分类
• 热辐射基本上可分为两类：
• 黑体辐射：一些不透明的物体或炽热稠密的气体接
近于黑体，辐射为连续光谱；
光谱功率分布
光源输出的功率与光谱有关，即与光的波长λ有关，称
为光谱的功率分布。
P(λ)
P(λ)
P(λ)
P(λ)
a)
λ
c) b) 典型光源功率谱分布
λ
λ
d)
λ
a）为线状光谱，如低压汞灯光谱； c）为连续光谱，如白炽灯、卤素灯光谱； b） 为带状光谱，如高压汞灯光谱，d） 为复合光谱，它由连续光谱与线状、
高压氙灯的D65光源光 谱分布
白炽灯的D65光源光谱 分布
典型D照明体的光谱分布
色温变换及光谱能量分布特性的改变 在光辐射测量中，常常需要改变光源的色温或 者其光谱能量分布，以满足实际测量的要求。除了 用液体滤光器来精确改变A光源的光谱能量分布特 性外，还可用其它配方的溶液或者玻璃滤光片来实 现。
带状光谱组合而成，如荧光灯光谱。
光源选择的考虑
1. 光谱范围（光谱功率分布的峰值波长与光电元 件的灵敏波长相一致）； 2. 3. 4. 发光强度； 稳定性； 结构形状、发光面积、发光均匀性和空 间分布 等。
光源的空间光强分布特性
由于光源发光的各向异性，许多光源的发
光强度在各个方向是不同的； 若在光源辐射光的空间某一截面上，将发 光强度相同的点连线，就得到该光源在该截面 的发光强度曲线，称为配光曲线。
标准照明体和标准光源
标准照明体 标准照明体 E A ：将在可见光波段内光谱辐射功率为恒定值的光 ：代表绝对温度 2856K(1968 年国际实用温标) B C ：代表相关色温大约 4874K 6774K的直射日光，它 的平均昼光。它 (1) CIE推荐的标准照明体 A、B、C和ECIE 1931色品图 刺激定义为标准照明体 的完全辐射体的辐射。它的色品坐标落在 E，亦称为等能光谱或等能白光。这是 的光色近似于阴天的天空光，其色品位于黑体轨迹的下方。 的光色相当中午的日光，其色品坐标紧靠黑体轨迹。 一种人为规定的光谱分布，实际中不存在这种光谱分布的光源。 的黑体轨迹上。
• 线状、带状辐射源：一些被激励的气体发光则为线
状或带状光谱。
• 可以用基尔霍夫定律、兰伯特定律等若干个基本定
律对热辐射进行比较完善地描述。
基尔霍夫定律
• 任何物体在同一温度下的辐射本领与吸收本领成 正比，辐射出射度M与吸收率α的比值与物质的
特性无关，是只与温度和波长有关的普适函数，
且恒等于同温度下绝对黑体的辐射本领。
自然界中的辐射体
• 黑体， ελ ＝1；
• 灰体， ελ ＝ ε <1，与波长无关； • 选择体， ελ <1，且随着波长和温度变化。
普朗克定律(M. Planck, 1900)
普朗克定律表明了黑体的光谱辐射出射度与波长及 温度之间的关系：
M eb ( , T ) 普朗克常数 2hc 2 e c 2 / T 1 h 6.626176 10 34 (W s 2 )
(1) 光源近似黑体分布时的色温变换
(2) 光源偏离黑体分布时的色温变换
色温变换及光谱能量分布特性的改变
(1) 光源近似黑体分布时的色温变换 M 0 ( , T2 ) 近似黑体光源 ( ) 所需滤光片的 M 0 ( , T1 )
14388 1 1 ( ) exp[ ( )] T1 T2
M
• 普适常数 b称为维恩常数，且
b 2898m K
T(K) 500 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 960 720 580 480 410 360
M nm 5760 2880 1440
Wien's Law: Blackbody peak wavelength scales as 1/Temperature.
1. 辐射效率和发光效率
2.
3. 4. 5. 6.
光谱分布
空间分布 光源的色温 标准光源 光源的颜色
辐射效率
• 在给定的波长范围内，某一光源所发出的光通量Φ 与产生该光通量所需要的功率P之比，称为该光源 的辐射效率，表示为：
λ2 Φ( λ)dλ Φ λ1 η P P
1~2为该光电测量系统的光谱范围。
• Writing the Blackbody
spectrum vs. wavelength:
2 5 2 hc / I exp hc / kBT 1
Jet engines emit infrared light from 3 to 5.5 µ m
This light is easily distinguished from the ambient infrared, which peaks near 10m and is relatively weak in this range
标准照明体和标准光源
(1) CIE推荐的标准光源A、B、C 标准光源 A ：分布温度 2856K 的充气钨丝灯。如果要求更准确 地实现标准照明体的紫外辐射的相对光谱分布，推荐使用熔融 石英壳或玻璃壳带石英窗口的灯； 标 准 光 源 B ： A 光 源 加 一 组 特 定 的 戴 维 斯 － 吉 伯 逊 (Davis Gibson)流体滤光器(又称DG滤光器)，以产生相关色温4874K的 辐射，代表中午直射阳光的光谱能量分布特性； 标准光源 C ： A 光源加另一组特定的戴维斯－吉伯逊流体滤光 器，以产生分布温度为 6774K的辐射，代表平均阴天天空光的 光谱能量分布特性。
M ( , T ) ' F ( , T ) M b ( , T ) ( , T )
基尔霍夫定律
• 自然界中并不存在绝对黑体，但可以根据对黑体的要求制造出一定波 长范围的实际黑体； • 基尔霍夫定律不但对所有波长的全辐射，而且对波长为λ的任何单色辐 射都正确。它是一切物体热辐射的普遍定律，表明吸收本领大的物体 ，其发射本领也大，如物体不能发射某波长的辐射能，则也不能吸收 该波长的辐射能，反之亦然。显然，黑体对于任何波长在单位时间单 位面积上发射或吸收的辐射能都比同一温度下的其它物体高。 • 辐射发射率（比辐射率） ελ ：在相同温度下，辐射体的光谱辐射出射 度与黑体的光谱辐射出射度之比。

e M e0 M 0
M (T ) M 0 (T )
黑体辐射谱
吸收

辐射本领随着温度单调增加； 每一温度对应一最大辐射峰值； 温度增高时，光谱中能量的分 布随温度升高向短波移动。
发射
关于基尔霍夫定律的说明：
1. 2. 3. 4. 基尔霍夫定律是平衡辐射定律，与物质本身的性质无关； 吸收和辐射的多少应在同温度下比较，温度不同则没有意义； 任何强烈的吸收必发出强烈的辐射； 基尔霍夫定律所描述的辐射与波长有关，与人眼的视觉特性 和光度量无关； 5. 基尔霍夫定律只适用于温度辐射，对其它发光不成立。 有 参考书曰：“基尔霍夫定律表征温度辐射到如此程度，以至 于用它来当作辨别发光性质的最可靠的判据，凡不遵从基尔 霍夫定律的发光，就一定不是温度辐射的发光”。
发光效率
• 在可见光范围内的发光效率为
Φe ( λ)V ( λ)d λ ΦV V K m 380 P P Φe ( λ) : 可见见光光谱通 V ( λ) :明视视觉光谱光视效 K m : 明视视觉最大光谱光视 率

780
V : 单位为 lm/W (流明每明)
常用光源的发光效率
光源种类 钨丝灯 卤钨灯 荧光灯 三基色荧光灯 发光效率 (lm/W) 8-18 14-30 35-60 55-90 高压汞灯 高压纳灯 球形氙灯 金属卤化物灯 光源种类 发光效率 (lm/W) 30-40 90-100 30-40 60-80